VLSI系统导论：第一章 VLSI设计基础概述

2023-2-281VLSIVLSI系统导论系统导论2023-2-282前言前言 集成电路的发展集成电路的发展n自从自从1958年集成电路诞生以来，经历了小规模（年集成电路诞生以来，经历了小规模（SSI）、）、中规模（中规模（MSI）、大规模（）、大规模（LSI）的发展过程，目前已）的发展过程，目前已进入超大规模（进入超大规模（VLSI）和甚大规模集成电路（）和甚大规模集成电路（ULSI）阶段，是一个阶段，是一个“system on a chip”（SOC)的时代。的时代。n第一代第一代16位的位的8086芯片中，共容纳了约芯片中，共容纳了约2.8万个晶体管。万个晶体管。32位以上的位以上的586级计算机微处理器，如级计算机微处理器，如“奔腾奔腾”芯片内芯片内的晶体管数目则高达的晶体管数目则高达500万以上。万以上。n目前商业化半导体芯片的线宽为目前商业化半导体芯片的线宽为0.180.35mm，今后发，今后发展的趋势是展的趋势是0.15mm甚至甚至0.1mm以下。以下。2023-2-2832023-2-284图图1、第一台计算机的核心部分、第一台计算机的核心部分（Babbage Difference Engine，1832）机械式结构，需要机械式结构，需要25,000机械部件，机械部件，造价昂贵。造价昂贵。2023-2-285由于机械式计算机笨重、昂贵，人们开由于机械式计算机笨重、昂贵，人们开始设计电子式计算机。始设计电子式计算机。图图2、第一台电子计算机（、第一台电子计算机（ENIAC,1946）数字电子计算开始于真空管的发明。基数字电子计算开始于真空管的发明。基于真空管的电子计算机时代开始于于真空管的电子计算机时代开始于ENIAC（electronic numerical integrator and computer）。）。ENIAC有有80英尺长、英尺长、8.5英尺高、英尺高、2英尺英尺宽、宽、1英尺厚，由英尺厚，由18,000个真空管、个真空管、1,500个继电器、成百上千个电阻、电个继电器、成百上千个电阻、电容、电感组成，占据了整个房间，重达容、电感组成，占据了整个房间，重达30吨，功耗吨，功耗200千瓦。由于功耗大，发千瓦。由于功耗大，发热量高，不得不将其放置于具有制冷设热量高，不得不将其放置于具有制冷设备的房间中。其可靠性差、功耗极高。备的房间中。其可靠性差、功耗极高。2023-2-286图图3、第一只晶体管（、第一只晶体管（Bell Labs,1948）这种新型器件具有体积小、价格便宜、结构坚固、可靠性高等优点。这种新型器件具有体积小、价格便宜、结构坚固、可靠性高等优点。1947年双极型晶体管的出现标志着固态电路革命的开始。年双极型晶体管的出现标志着固态电路革命的开始。固态电路使得便携式晶体管收音机，助听器，石英表和按键式电话，固态电路使得便携式晶体管收音机，助听器，石英表和按键式电话，CD机和个人电脑的发展有了可能。机和个人电脑的发展有了可能。2023-2-287图图4、第一块集成电路、第一块集成电路（ECL 3-input Gate Motorola,1966）Bipolar logic1960s早期的集成电路由少量的双极结型晶体管和扩散电阻连接形成简单的逻辑门。早期的集成电路由少量的双极结型晶体管和扩散电阻连接形成简单的逻辑门。集成双极型逻辑十分迅速但是功耗大。集成双极型逻辑十分迅速但是功耗大。2023-2-288图图5、Intel 4004(1971)图图7、Intel 8085图图9、Intel 8486图图6、Intel 8080（1974）图图8、Intel 8286图图10、Intel Pentium(IV)MOS集成电路解决了低功耗的问题，但是在集成电路解决了低功耗的问题，但是在20世纪世纪60年代金属栅年代金属栅MOS工艺受制于不可工艺受制于不可预知的阈值电压的改变。这个问题终于随着预知的阈值电压的改变。这个问题终于随着20世纪世纪70年代早期的多晶硅栅年代早期的多晶硅栅MOS工艺的工艺的发展得到了解决。发展得到了解决。MOS逻辑很快取代了双极型逻辑并为微处理器和动态逻辑很快取代了双极型逻辑并为微处理器和动态RAM芯片建立芯片建立了大量新的市场。了大量新的市场。2023-2-289到到20世纪世纪80年代中期，客户们要求在单独一块集成电路芯片上同时集成具有数字和模拟年代中期，客户们要求在单独一块集成电路芯片上同时集成具有数字和模拟功能的芯片。于是很快产生了一种新的融合双极型功能的芯片。于是很快产生了一种新的融合双极型CMOS（BiCMOS）的工艺并专门）的工艺并专门用于混合信号的设计。尽管这些工艺复杂并且成本高，它们却提供了其它方法所不能达用于混合信号的设计。尽管这些工艺复杂并且成本高，它们却提供了其它方法所不能达到的性能。到的性能。戈登摩乐（戈登摩乐（Gordon Moore）在）在1965年预测：每隔年预测：每隔3年年MOS晶体管尺寸减小晶体管尺寸减小1/2，每隔一到两年单个芯片上晶体管数目翻一番。过去的每隔一到两年单个芯片上晶体管数目翻一番。过去的25年历史确实证实了这种发展趋势。年历史确实证实了这种发展趋势。2023-2-2810第一章第一章 VLSI设计基础概述设计基础概述 1.1 VLSI设计技术基础与主流制造技术设计技术基础与主流制造技术 器件设计基础器件设计基础-晶体管原理晶体管原理 工艺技术基础工艺技术基础-半导体集成电路工艺原理半导体集成电路工艺原理 逻辑与电路设计基础逻辑与电路设计基础-数字、模拟集成电路原理数字、模拟集成电路原理 版图设计基础版图设计基础-晶体管设计、集成电路设计原理晶体管设计、集成电路设计原理 计算机辅助设计基础计算机辅助设计基础-集成电路设计软件应用集成电路设计软件应用 器件、工艺、版图、电路、逻辑分析能力器件、工艺、版图、电路、逻辑分析能力 2023-2-2811VLSIVLSI制造的主要技术制造的主要技术双极工艺：双极工艺：以以NPN与与PNP晶体管为基本元件晶体管为基本元件集成其他的元件（电阻、电容、二极管等）集成其他的元件（电阻、电容、二极管等）高速、低噪声、驱动能力大高速、低噪声、驱动能力大功率比较大功率比较大MOS工艺：工艺：以以NMOS晶体管和晶体管和PMOS晶体管为基本元件晶体管为基本元件集成其他的元件（电阻、电容、二极管等）集成其他的元件（电阻、电容、二极管等）CMOS结构简单，集成度高，耗散功率小，成为当今结构简单，集成度高，耗散功率小，成为当今VLSI制造的主流技术制造的主流技术 2023-2-28122023-2-28131.2 VLSI设计方法与设计技术设计方法与设计技术 VLSI系统的设计通常采用自顶向下（系统的设计通常采用自顶向下（Top Down）和由底）和由底向上（向上（Bottom Up）的设计方法。）的设计方法。自顶向下设计是一种逐级分解、变换，将系统要求转变为自顶向下设计是一种逐级分解、变换，将系统要求转变为电路和版图的过程。是指从系统的行为、功能、性能以及允许电路和版图的过程。是指从系统的行为、功能、性能以及允许的芯片面积和成本要求开始，进行结构设计，同时，根据结构的芯片面积和成本要求开始，进行结构设计，同时，根据结构特点，将其逐级分解为接口清晰，相互关系明确，尽可能简单特点，将其逐级分解为接口清晰，相互关系明确，尽可能简单的子结构。接着，将结构转换为逻辑，亦即逻辑设计。下一步的子结构。接着，将结构转换为逻辑，亦即逻辑设计。下一步是电路设计，逻辑图被细化为电路图。最后进行版图设计，至是电路设计，逻辑图被细化为电路图。最后进行版图设计，至此，自顶向下的过程结束。此，自顶向下的过程结束。由底向上设计，是在系统划分和分解的基础上，先进行单由底向上设计，是在系统划分和分解的基础上，先进行单元设计，在精心设计的单元基础上，逐级向上完成功能块、子元设计，在精心设计的单元基础上，逐级向上完成功能块、子系统设计，直至到最终的系统完成。系统设计，直至到最终的系统完成。2023-2-2814 对于对于VLSI系统，希望尽量采用模块化的设计和规则化的结系统，希望尽量采用模块化的设计和规则化的结构，目的是降低系统实现的复杂程度。构，目的是降低系统实现的复杂程度。VLSI的设计理念是将集成电路或系统的分析计算部分和信的设计理念是将集成电路或系统的分析计算部分和信息接口部分分开进行设计。分析计算部分（即内部电路）采用息接口部分分开进行设计。分析计算部分（即内部电路）采用高度规则的结构以降低版图设计的难度，提高设计效率；与外高度规则的结构以降低版图设计的难度，提高设计效率；与外部信息交换的接口采用高度优化的单元以提高电路或系统的性部信息交换的接口采用高度优化的单元以提高电路或系统的性能与可靠性。能与可靠性。设计软件的发展经历了三个主要的发展阶段：设计软件的发展经历了三个主要的发展阶段：1.分散的辅助设计软件分散的辅助设计软件-以行命令的形式运行以行命令的形式运行2.集成的设计软件环境集成的设计软件环境-多进程的集成运行模式多进程的集成运行模式3.具有自动综合能力的设计系统具有自动综合能力的设计系统-高度自动化的运行模式高度自动化的运行模式版图设计的三种形式：版图设计的三种形式：1.图形编辑完成版图的设计图形编辑完成版图的设计2.调用版图单元库完成版图的设计调用版图单元库完成版图的设计3.采用自动生成的形式完成版图的设计采用自动生成的形式完成版图的设计2023-2-28151.3 新技术对新技术对VLSI的贡献的贡献尺寸的缩小尺寸的缩小新结构、新材料的引入新结构、新材料的引入设计方法、设计手段的强化和进步设计方法、设计手段的强化和进步2023-2-28161.4 ASIC和和VLSI ASIC是英文是英文Application Specific Integrated Circuit的缩写，即的缩写，即面向特定应用的集成电路。面向特定应用的集成电路。ASIC可以是专为某一类特定应用而设计的集成电路，称为标准可以是专为某一类特定应用而设计的集成电路，称为标准专用电路，也可以是专为某一用户的特定应用而设计的集成电路，专用电路，也可以是专为某一用户的特定应用而设计的集成电路，称为定制专用电路。称为定制专用电路。市场的需要、市场的需要、VLSI技术的进步为技术的进步为ASIC的发展提供了舞台，超大的发展提供了舞台，超大规模集成成为规模集成成为ASIC的必然。的必然。2023-2-2817CustomStandard CellsMacro CellsCell-basedPre-diffused(Gate Arrays)Pre-wired(FPGAs)Array-basedSemicustomVLSI Implementation Approaches倒相器、缓冲器倒相器、缓冲器与非门、或非门与非门、或非门异或、同或门异或、同或门触发器触发器I/O单元等单元等处理器处理器存储器存储器锁相环锁相环ADC/DAC电流基准源等电流基准源等1.5 VLSI的版图结构和设计技术的版图结构和设计技术 2023-2-2818 1.5.1 VLSI 1.5.1 VLSI的版图总体结构的版图总体结构门阵列和标准单元阵列是行式结构的典型应用。门阵列和标准单元阵列是行式结构的典型应用。2023-2-2819门阵列、标准单元阵列、宏单元的综合。门阵列、标准单元阵列、宏单元的综合。2023-2-2820 晶体管规则阵列晶体管规则阵列-以晶体管为基本元件以晶体管为基本元件 门阵列门阵列-以基本逻辑门为基本元件以基本逻辑门为基本元件 标准单元标准单元-以标准单元为基本元件以标准单元为基本元件 宏单元、积木块宏单元、积木块-以积木单元为基本元件以积木单元为基本元件 1.5.2 1.5.2 VLSI版图的内部结构版图的内部结构在一个集成系统中，常常是上述结构的综合体在一个集成系统中，常常是上述结构的综合体2023-2-282132位CISC嵌入式处理器SEP3201版图p32 bit corepPhase-locked loop and power controlpInterrupt controllerpParallel general-purpose I/O portspGeneral-purpose timerpSerial peripheral interfacepUARTpLCD controllerpDRAM controllerpI/O cellspEtc.标准单元陈列标准单元陈列I/O单元单元宏单元：宏单元：PLL宏单元：宏单元：core